水電站大體積混凝土溫控措施分析

王先鋒

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

我國的西部地區存在較多的山谷地帶，具有較高的水位落差，利用這些天然地理優勢，可以有效地提高水電站的發電量，滿足工農業和人們日常生活的基本用電需求。在水電站大壩建設過程中，大體積混凝土會因為自身的水化反應，導致混凝土內外產生較大的溫度差，引發混凝土結構出現裂縫等質量問題，給水電站埋下了安全隱患。因此，研究分析水電站大體積混凝土溫控措施具有重要的現實意義。

1 大體積混凝土溫度裂縫產生的原因

1.1 水電站大體積混凝土溫控措施的意義

對于混凝土而言，之所以出現溫度裂縫，主要是因為混凝土結構因為溫度的變化，導致結構內部產生了一定的結構應力，當這種結構應力超過了混凝土所能承受的應力極限時，就會導致混凝土出現溫度裂縫，這種裂縫會影響結構的正常性能，降低結構的安全性和穩定性。對于水電站而言，采用大量混凝土澆筑而成的大壩，一旦接觸水的部位出現裂縫，不僅影響結構的防滲性能，而且會危害結構的強度以及穩定性，極可能引發嚴重的安全事故。因此必須做好溫度控制措施，確保水電站大體積混凝土結構的穩定性。

1.2 導致溫度裂縫產生的原因

（1）水泥水化熱：作為混凝土的重要組成材料之一，水泥本身遇水之后，會發生化學反應，并產生大量的熱量，導致混凝土的內部出現溫度上升的情況。一旦對這種溫度變化控制不當，可能會引起混凝土出現溫度裂縫。（2）環境溫度和澆筑溫度：在混凝土結構澆筑施工的過程中，由于混凝土本身的散熱性能較差，一旦澆筑溫度過高，勢必導致熱量短時間內無法外散，產生溫度裂縫。此外混凝土澆筑結束后，如果環境溫度變化過大，也會導致結構的溫差變大，繼而產生溫度裂縫等問題。（3）混凝土收縮影響：混凝土在凝結過程中，水分大量蒸發，導致其出現收縮變形的現象，一旦收縮過程中受到內外約束的影響，就會導致混凝土出現干縮現象，引發溫度裂縫。

2 實例概述

某水電站工程，攔河壩采用混凝土重力壩，壩頂全長477 m，屬于大體積混凝土工程。該水電站位于熱帶區域，常見溫度居高不下，為了避免大體積混凝土出現溫度裂縫，必須采取有效的溫控措施，提高大壩混凝土的質量。

2.1 氣候條件

通過對大壩區域內氣象站的相關資料收集表明，本水電站工程所處于的區域年平均溫度約為27.5 ℃，其中壩址所在區域的河水年平均溫度約為28.4 ℃。從溫差變化來看，月最高氣溫約為38 ℃，最低氣溫約為17 ℃，并沒有明顯的寒冷氣候。

2.2 主要混凝土材料

本水電站工程的大壩主要采用C25和C35級別的混凝土澆筑而成，此兩種型號的混凝土的熱力學參數如表1所示。

表1 混凝土熱力學參數

2.3 大體積混凝土溫控標準

（1）混凝土基礎允許溫差，根據計算可以得知，本工程所采用的C25級別的混凝土的容許溫差為17 ℃，而C35級別的混凝土的容許溫差為19 ℃。

（2）混凝土最高溫度控制：本水電站工程的混凝土厚度較低，比較利于混凝土的水化熱溫度揮發，因此，重點考慮水庫水文對混凝土的影響。同時結合本區域內的天氣情況，最終確定C25級別的混凝土的最高溫度控制為45 ℃，而C35級別的混凝土的最高溫度控制為46 ℃。

3 影響水電站大體積混凝土溫控的關鍵因素

3.1 澆筑溫度對大體積混凝土溫控的影響

通過對C25和C35兩個級別的混凝土進行澆筑溫度的敏感性分析，如表2所示。可以得出，基于自然冷卻的條件下，若要確保C25級別混凝土的最高溫度控制的允許范圍之內，澆筑溫度應低于16.5 ℃，而對于確保C25級別混凝土的最高溫度控制在允許范圍之內，澆筑溫度應不低于17.5 ℃。但是本水電站工程所在區域的常見平均氣溫為27.5 ℃，最低氣溫也高于17 ℃。

因此，必須采取有效的冷卻措施，降低混凝土的澆筑溫度。

表2 澆筑溫度敏感性分析表

3.2 通水溫度對大體積混凝土的影響

本工程采用的C25級別的混凝土進行通水溫度的測試，按照澆筑溫度31.5 ℃進行計算，當水管按照1 m的間隔進行縱向、橫向布置時，通水溫度每降低1 ℃，混凝土的最高溫度可以同步下降0.15 ℃。由此可見，通水溫度對混凝土的極限最高溫度影響較低，即當通水溫度控制在不超過16 ℃情況下，均可以有效地避免大體積混凝土出現溫度裂縫。

3.3 冷卻水管的間距對大體積混凝土的影響

采取可通水溫度測試一樣的條件，即澆注溫度為31.5 ℃，通水溫度為10 ℃。區別在于將冷卻水管之間的間距逐漸縮小，按照2 m×2 m、2 m×1.5 m、1.5 m×1.5 m、1.5 m×1 m、1 m×1 m等五種情況進行測試發現，水管之間的間距越小，對混凝土的最高溫度影響越大，因此，應確保混凝土的通水冷卻水管的間距按照1 m×1 m進行布置。

3.4 粉煤灰對大體積混凝土的影響

本工程分別對C25混凝土和C35混凝土粉煤灰添加前后的溫度變化進行了分析（如表3所示），實驗時冷卻水管的間距為1.5 m×1 m，冷卻水溫度為8 ℃，時間為10 d。通過分析結果來看，通過添加粉煤灰能夠有效地降低混凝土的最高溫度，且效果十分明顯。

表3 混凝土添加粉煤灰的分析結果 /℃

4 大體積混凝土的溫控措施

4.1 方案一：自然拌和混凝土，采用冷卻水

本方案下主要是在每年8月～11月進行混凝土的澆筑，控制澆筑的厚度為150 cm，同時對冷卻水的水文以及水管之間的距離進行優化調整，確定基于不同的澆筑溫度下，冷水水管均按照1 m×1 m進行布置，確保溫度保持在15～22 ℃之間，以確保混凝土的最高溫度滿足要求，避免出現溫差裂縫問題。

4.2 方案二：混凝土中摻粉煤灰，采用冷卻水

本方案同樣選擇河水溫度為26.9 ℃的8月～11月進行混凝土的澆筑施工，通過對C25和C35混凝土摻入不同比例的粉煤灰，并利用河水進行冷卻，水管間距則按照1 m×1 m進行布置（如表4所示），以確保混凝土的最高溫度滿足要求，避免出現溫差裂縫問題。

表4 方案二的最高溫度計算結果表

4.3 溫控措施的效果對比分析

（1）未摻粉煤灰混凝土通深層河水冷卻，電阻式溫度計測量的最高混凝土溫度為55 ℃，達到最高溫升的時間為50 h，混凝土的最高溫度超過了設計標準，說明未摻粉煤灰混凝土雖然一定程度上消減了混凝土的溫度上升，但是仍未達到預期的溫度控制目的。（2）摻粉煤灰混凝土通深層河水冷卻，電阻式溫度計測量的最高混凝土溫度為50 ℃，達到最高溫升的時間為72 h，相比較未摻粉煤灰混凝土，采用該方法后混凝土的最高溫度下降超過了5 ℃，有效地實現了混凝土溫度的控制。（3）摻粉煤灰混凝土通過20 ℃制冷水冷卻，電阻式溫度計測量的最高混凝土溫度48 ℃，達到最高溫升的時間為80 h，相比較摻粉煤灰混凝土通深層河水冷卻，采用該方法后混凝土的最高溫度下降超過了2 ℃，且混凝土達到最高溫度的時間延長了8 h，有效地實現了混凝土溫度的控制。

由此可見，通過摻入粉煤灰以及降低冷卻水的水文等措施，可以顯著地提高混凝土的溫度控制效果，有效地抑制了混凝土的裂縫出現。

5 結語

綜上所述，在水電站工程建設過程中，大體積的混凝土澆筑十分普遍，為了有效地避免混凝土出現溫度裂縫，本文結合實例分析了影響混凝土溫度升高的因素，并制定了有效的溫控措施，顯著地降低了混凝土的最高溫度，避免了溫度裂縫的出現，提高了水電站建設的質量。